Репрограммирование клеток частично восстановило сердце мышей после инфаркта
Ученые помогли мышам отрастить сердечную мышцу после инфаркта — на этот раз с помощью репрограммирования, заставив кардиомиоциты «помолодеть» и начать делиться. Оказалось, что при этом возможно избежать образования опухолей и эффект тем сильнее, чем раньше начинается лечение (в идеале — еще до самого инфаркта). Метод пока нельзя применить к людям — мышей для этого приходится генетически модифицировать. Работа опубликована в журнале Science.
Многие ткани млекопитающих очень плохо регенерируют, и чем животное старше — тем хуже. Это мешает внутренним органам восстанавливаться после травм и ускоряет старение организма. С этой проблемой теоретически можно справиться с помощью стволовых клеток — но их не всегда можно получить в нужных количествах, их бывает сложно ввести в очаг повреждения и, к тому же, они не всегда хорошо приживаются.
Другой вариант — создать стволовые клетки на месте, прямо внутри поврежденной ткани, или хотя бы научить взрослые клетки делиться. Этого можно добиться с помощью технологии репрограммирования клеток: ввести в них четыре белка-фактора транскрипции (их еще называют 4F, OSKM — по названиям белков или коктейль Яманаки — по имени первооткрывателя), которые заставляют ДНК в клетке переупаковаться. При этом участки со многими генами, которые работают в молодых клетках, раскручиваются и становятся доступны для считывания. А сами клетки могут приобрести некоторые свойства стволовых.
Недавно с помощью подобной технологии ученые частично вернули мышам зрение после травмы глаза. А теперь группа исследователей под руководством Томаса Брауна (Thomas Braun) из Института исследований сердца и легких Общества Макса Планка взялась за регенерацию сердца.
Чтобы доставить белки Яманаки в сердце, ученым пришлось использовать трансгенных мышей — в их ДНК исследователи встроили гены этих четырех белков, но так, чтобы они работали только в кардиомиоцитах (сократительных клетках сердечной мышцы) и только в присутствии антибиотика доксициклина.
Авторы работы поили мышей водой с доксициклином постоянно, и в течение первых шести суток животные не отличались от контрольных, а потом начались изменения. В их кардиомиоцитах усилилось производство сократительных белков, а сердечный выброс сократился — это означало, что в сердце происходят какие-то процессы перестройки. У животных, которым в этот момент прекратили давать доксициклин, сердце быстро вернулось к обычной работе, то есть процесс получился обратимым.
Те же, у кого продолжили запускать экспрессию белков Яманаки, после 12-го дня начинали болеть и быстро умирали, даже если отменить доксициклин. На вскрытии у них обнаружились опухоли в сердечной ткани. Причем клетки из этих опухолей приживались в ранних мышиных зародышах — это критерий, который позволяет отнести их к эмбриональным стволовым. Таким образом авторы работы подтвердили, что их технология позволяет провести полное репрограммирование клеток in vivo.
Для того чтобы заживлять раны, полное репрограммирование не нужно и даже опасно. Но частичное репрограммирование, которое происходит в первые дни действия доксициклина, может быть полезно — при этом клетки, как исследователи заметили в начале эксперимента, не теряют своей специализации, но приобретают способность делиться.
Чтобы проверить, насколько это влияет на регенерацию, авторы работы опробовали свой метод на модели инфаркта. Они перевязывали у мышей переднюю нисходящую артерию, прерывая тем самым кровоснабжение части миокарда — а животным давали доксициклин перед инфарктом (за 6 дней), сразу после инфаркта, на следующий день или через 6 дней после (имитируя поддерживающую терапию). Оказалось, что последний из вариантов не оказывает серьезного влияния на работу сердца (хотя и уменьшает размер шрама на мышце). А вот первые два позволяют частично восстановить работу мышцы, причем профилактика работает заметно лучше, чем терапия после инфаркта — возможно, еще и потому, что молодые кардиомиоциты более устойчивы к повреждениям, чем пожилые.
Исследователи полагают, что такую технологию можно применять и для других органов, которые плохо регенерируют в организме человека. Но, поскольку генетически модифицировать его в ближайшее время не получится, нужно будет осваивать способы запустить экспрессию белков Яманаки извне — например, через вирусный вектор. Но пока такие эксперименты ставили только на клеточных культурах in vitro — а чтобы перенести их на живых людей, нужно будет научиться точно контролировать репрограммирование и не допускать образования опухолей.
А о том, как частично репрограммирование можно использовать для омоложения организма в целом и почему в него недавно инвестировали Джефф Безос и Юрий Мильнер, мы рассказывали в тексте «Планы на старость».
Полина Лосева
Это облегчило симптомы поражения мышц и нервов
Выращивание дрозофил с дефектом первого комплекса дыхательной цепи в среде с комбинацией 5-аминолевулиновой кислоты, гидрохлорида и железа натрия цитрата (5-ALA-HCl + SFC) увеличивает выработку АТФ за счет повышения активности второго и четвертого дыхательных комплексов. Активность первого комплекса при этом не меняется. Кроме того, у дрозофил снижалось накопление лактата и пирувата, которое происходит при дефекте первого комплекса, что, по-видимому, облегчало симптомы поражения мышц и нервов. Исследование опубликовано в Human Molecular Genetics. В митохондриях происходит окислительное фосфорилирование — многоэтапный процесс, в ходе которого окисляются восстановительные эквиваленты — восстановленные никотинамидадениндинуклеотид (НАДН) и флавинадениндинуклеотид (ФАДН2), — и вырабатывается АТФ. Происходит последовательный перенос электронов по дыхательной цепи — группе дыхательных ферментов в мембране митохондрии. Всего в цепи участвует пять комплексов дыхательных ферментов. Нарушение переноса электронов по дыхательной цепи сопровождается снижением выработки АТФ и вызывает митохондриальные заболевания. Наиболее часто «ломается» первый комплекс — НАДН-КоQ-оксидоредуктаза, или НАДН-дегидрогеназа. Его дефицит поражает органы и ткани с высокими энергетическими потребностями, таких как мозг, сердце, печень и скелетные мышцы. Обычно это проявляется тяжелыми неврологическими синдромами: например, наследственная оптическая нейропатия Лебера, синдром MELAS или синдром MERRF. Хотя первый комплекс отвечает за поступление наибольшего количества электронов в дыхательную цепь, второй комплекс — ФАД-зависимые дегидрогеназы, — работая параллельно с первым, также отвечает за вход электронов в цепь, передавая их, как и первый комплекс на убихинон (коэнзим Q). Потенциально повышение активности второго комплекса могло бы нивелировать снижение активности первого. Поскольку второй, третий и четвертый дыхательные комплексы и цитохром с содержат гемовые структуры, команда ученых под руководством Канаэ Андо (Kanae Ando) из Токийского столичного университета решили проверить, насколько эффективно будет применение предшественника гема 5-аминолевулиновой кислоты для повышения активности этих комплексов и восстановления синтеза АТФ у дрозофил с дефектом первого комплекса. Сначала ученые отключили у дрозофил ген, гомологичный NDUFAF6 и ответственный за экспрессию одного из регуляторных белков первого комплекса. У таких дрозофил мышцы были тоньше, хрупче и иннервировались хуже, чем у насекомых без нокдауна гена. Кроме того, самцы с неработающим геном погибали намного быстрее самок, и у них развивались более грубые нарушения опорно-двигательного аппарата. Затем ученые проанализировали как нокдаун гена первого комплекса влияет на экспрессию и активность других комплексов. Выяснилось, что нокдаун увеличивает экспрессию генов третьего и пятого комплексов, и снижает — четвертого. При этом активность второго и четвертого комплекса значительно повышалась после нокдауна у самок дрозофил. Ученые не обнаружили нарушений в процессах утилизации активных форм кислорода, однако у дрозофил обоих полов без работающего гена первого комплекса накапливался лактат и пируват. Чтобы проверить влияние комплекса 5-аминолевулиновой кислоты, гидрохлорида и железа натрия цитрата (5-ALA-HCl + SFC) на митохондрии дрозофил с нокаутированным геном, их выращивали в среде, содержащей этот комплекс. Такое воздействие значительно повышало уровни АТФ у самцов и самок дрозофил, при этом количество копий митохондриальной ДНК не изменялось, то есть препарат не увеличивал количество митохондрий. Экспрессия и активность дефектного первого комплекса никак не изменились, а активность второго и четвертого комплексов выросли у самцов. В целом, повышенная экспрессия генов третьего комплекса и активность второго и четвертого комплексов смягчали дефектные фенотипы. Помимо этого 5-ALA-HCl + SFC снижало накопление лактата и пирувата у самцов и самок с нокдауном гена первого комплекса, что потенциально смягчает метаболические нарушения, вызванные дефицитом первого комплекса. У самцов и самок мух-дрозофил, которых лечили 5-ALA-HCl + SFC, наблюдалось меньше дефектов опорно-двигательного аппарата, а продолжительность их жизни значительно увеличилась. Ученые рассчитывают проверить эффект такого лечения на животных с более сложным строением, чтобы подтвердить универсальность такого подхода к лечению митохондриальных нарушений. Не всегда нужна мутация, чтобы нарушить работу дыхательной цепи. Недавно мы рассказывали про то, что большое количество натрия из потребляемой соли нарушает дыхательную цепь митохондрий в регуляторных Т-лимфоцитах. Это приводит к активации аутоиммунных процессов.